一种USB自供电式色谱数据采集卡的制作方法

本发明专利涉色谱数据采集和色谱自动分析技术领域，更具体地说，本发明专利涉及一种usb自供电式色谱数据采集卡。

背景技术：

国内在利用色谱仪进行色谱自动分析时，通常采用色谱仪、色谱数据采集卡和色谱工作站上位机构成色谱自动分析系统，色谱数据采集卡在色谱自动分析系统中具有重要的作用，直接决定了色谱分析系统的精确性和可靠性。

色谱数据采集卡接在色谱仪与色谱工作站上位机之间，采集色谱仪输出的1v范围以内的模拟色谱信号，经a/d转换后得到数字信号，通过通信接口传输至色谱工作站上位机。2009年王钧申请了“离子色谱数据采集装置”，具有多个模拟信号输入通道，2010年王钧申请了“一种离子色谱数据采集装置”，具有高阻抗输入通道，两种装置均采用rs232总线与上位机进行通信，通过外接电源供电。2009年王钧申请了“离子色谱数据传输装置”，数据采集装置采用spi总线与2.4ghz无线收发模连接，色谱工作站上位机采用rs232总线与无线收发模块连接，从而进行数据传输，通过外接电源供电。

综上所述，现有色谱数据采集卡在转换精度、通信和供电方式、工作可靠性方面均存在一定的不足之处，如：

(1)现有采集卡多采用16～24位a/d转换器进行数据采集，且无共模信号抑制处理电路，但往往a/d转换器的共模抑制比是有限的，色谱信号在整个输入范围内变化时，共模电压的变化会造成4～8位的精度损失，大大影响色谱分析的精度(如峰高、峰面积的精度)。

(2)现有采集卡多采用有线或无线的rs232通信接口与上位机进行通信，但是现在大多pc计算机和笔记本电脑已无rs232接口，且需要另外插入直流电源对采集卡进行供电，使用十分不方便，另外部分采用usb接口的采集卡与原有采用rs232接口的上位机色谱工作站软件不匹配，而软件升级成本又比较高。

(3)现有采集卡在输入/输出接口保护、电压隔离保护即可靠性方面存在不足，模拟信号输入电缆一旦触碰高压(如工作环境中的220v电压)，不光会损坏输入通道和采集卡，甚至高压串入上位计算机而损坏usb接口和计算机主板；usb接口信号线触碰高压也会造成采集卡的损坏；另外，在采用usb接口供电时，采集卡内部故障短路也会造成计算机usb接口甚至主板的损坏。

而且，计算机usb接口只能向外设提供低于500ma的供电电流，对于高精度、多处理环节、高可靠性的色谱数据采集卡，采用usb接口直接供电有较大的技术开发难度。

发明专利内容

为了克服上述色谱数据采集卡技术中的不足之处，本发明专利提出一种usb自供电式色谱数据采集卡，如图1所示，只需要将模拟色谱信号接入该采集卡的输入通道，并通过usb接口及usb电缆将采集卡与色谱工作站上位机相连接，便可实现高精度、高可靠性色谱信号采集，无需另外提供工作电源。

为了实现以上技术目的，本发明专利采用以下技术方案：一种usb自供电式色谱数据采集卡，主要由前端滤波及放大器、共模信号抑制电路、24位δ-∑a/d转换器、精密电压基准、数字隔离电路、低功耗mcu、uart/usb转换器、usb接口、电源变换电路组成，色谱仪的模拟信号输出端接至该色谱数据采集卡的前端滤波及放大器的输入端，前端滤波及放大器的输出端接至共模信号抑制电路的输入端，共模信号抑制电路的输出端接至24位δ-∑a/d转换器的模拟信号输入端，同时精密电压基准的电压输出端接至24位δ-∑a/d转换器的参考电压输入端，24位δ-∑a/d转换器的spi总线端口与数字隔离电路的a侧端口相连接，数字隔离电路的b侧端口与低功耗mcu的spi总线端口相连接，低功耗mcu的uart端口与uart/usb转换器的uart侧端口相连接，uart/usb转换器的usb侧端口与usb接口的d+、d-信号端相连接，usb接口的+5v、gnd两端接至电源变换电路的输入端，电源变换电路的各种规格的电源输出端分别接至上述各模块的电源端，为各模块提供所需电源；

色谱仪输出的模拟色谱信号经过前端滤波、放大及共模抑制处理后，再进行a/d转换，将模拟色谱信号转换为24位数字信号，经过数字隔离的spi总线将数字信号输入至低功耗mcu，低功耗mcu再将该数字信号通过uart接口传输至uart/usb转换器，经uart/usb转换器转换为usb传输信号，并经过usb接口及usb电缆传输至色谱工作站上位机，同时通过上位机的usb接口电源为该色谱采集卡供电。

所述电源变换电路包括内侧数字电源变换器、dc/dc隔离电源、线性降压电源、外侧数字电源变换器，usb接口的+5v、gnd两端并接至电源变换电路中的内侧数字电源变换器及dc/dc隔离电源的输入端，内侧数字电源变换器变换产生+3.3v电源，内侧数字电源变换器的输出端接至数字隔离电路的b侧、低功耗mcu、uart/usb转换器的电源输入端，dc/dc隔离电源变换产生±5v隔离电源，dc/dc隔离电源的+5v和dgnd端接至外侧数字电源变换器的输入端，外侧数字电源变换器变换产生+3.3v电源，外侧数字电源变换器的输出端接至数字隔离电路的a侧电源输入端及24位δ-∑a/d转换器的数字电源输入端，dc/dc隔离电源的+5v、-5v及dgnd端接至线性降压电源的输入端，线性降压电源变换产生±3.14v线性模拟电源，线性降压电源的输出端接至前端滤波及放大器、共模信号抑制电路、精密电压基准的电源输入端及24位δ-∑a/d转换器的模拟电源输入端。

所述前端滤波及放大器为由低失调电压的运算放大器构成的二阶有源低通滤波器，并构成放大系数为2的同相运算放大电路，运算放大器具有输出偏置电压调整端，电压调整端连接有用于色谱信号零位基线校准的调整电位器。

所述共模信号抑制电路由单端-差分信号转换器ad8138构成，所述24位δ-∑a/d转换器采用双通道差分输入方式的24位δ-∑a/d转换器cs5532，ad8138的输出共模电压设置端接至模拟地端，ad8138的差分输出正相端、反相端分别与cs5532的差分输入正端、负端相连，从而实现了共模电压为零的正负对称式差分输入，抑制了a/d转换器输入通道共模电压的变化。

所述数字隔离电路采用低功耗数字磁隔离芯片si8663构成。

所述精密电压基准采用低噪声、低温漂的精密电压基准芯片ref5020构成，其输出基准电压为+2.048v。

所述低功耗mcu采用超低功耗混合信号处理器msp430g2513，所述uart/usb转换器采用usb转串口芯片ch340b，msp430g2513与ch340b之间采用ttl电平的uart串行总线进行通信，msp430g2513的uart接口的rxd端与ch340b的txd端相连接，msp430g2513的uart接口的txd端与ch340b的rxd端相连接。

所述usb自供电式色谱数据采集卡具有两个信号采集通道，每个通道的色谱信号输入端和模拟地端之间接有tvs双向保护二极管p6smb6.8ca，色谱信号可以反接，反接不损坏输入通道，只是测得的色谱为负峰。

所述usb接口的+5v电源端串接有0.5a过流保护用自恢复保险丝，usb接口的d+、d-端接有低电容tvs保护二极管阵列芯片nup2202w1，nup2202w1的vp端接至+5v电源端，vn端接至gnd端，两个io端分别接至d+、d-端。

本发明专利至少包括以下有益效果：

(1)色谱信号输入通道具有共模信号抑制电路，a/d转换器的差分输入信号正负对称，共模信号为零且不变，消除了输入信号共模分量变化对色谱信号采集精度的影响，色谱分析精度提高。

(2)采集卡电路采用低功耗设计，消耗电流小于500ma，可完全采用计算机usb接口电源对采集卡进行供电，无需另外接入直流电源，使用方便。

(3)采用uart/usb转换器构成usb数据通信接口，只需在上位计算机安装该转换器驱动程序，便可以在工作站上位计算机中虚拟为rs232串口(com口)，从而可与原有采用rs232接口的上位机色谱工作站软件相匹配。

(4)在模拟信号输入通道接有tvs双向保护二极管，在usb接口电源回路串接有过流保护用自恢复保险丝，在usb接口数据传输端接有tvs保护二极管阵列，采集卡内外侧电源和spi总线均有隔离，可防止外部过压对采集卡和计算机的损坏，以及防止采集卡内部过流对计算机的损坏，采集卡的工作可靠性显著提高。

本发明专利的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明专利的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明专利所述的usb自供电式色谱数据采集卡与色谱仪及色谱工作站上位机之间的连接方法示意图。

图2为本发明专利所述的usb自供电式色谱数据采集卡的原理框图。

图3(a)为本发明专利实施方案中的电源变换部分电路图，图3(b)为本发明专利实施方案中的cpu及通信接口部分电路图，图3(c)为本发明专利实施方案中的信号输入通道及a/d转换部分电路图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明专利做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

根据图2所示，一种usb自供电式色谱数据采集卡，主要由前端滤波及放大器1、共模信号抑制电路2、24位δ-∑a/d转换器3、精密电压基准4、数字隔离电路5、低功耗mcu6、uart/usb转换器7、usb接口8、电源变换电路9组成，色谱仪的模拟信号输出端接至该色谱数据采集卡的前端滤波及放大器1的输入端，前端滤波及放大器1的输出端接至共模信号抑制电路2的输入端，共模信号抑制电路2的输出端接至24位δ-∑a/d转换器3的模拟信号输入端，同时精密电压基准4的电压输出端接至24位δ-∑a/d转换器3的参考电压输入端，24位δ-∑a/d转换器3的spi总线端口与数字隔离电路5的a侧端口相连接，数字隔离电路5的b侧端口与低功耗mcu6的spi总线端口相连接，低功耗mcu6的uart端口与uart/usb转换器7的uart侧端口相连接，uart/usb转换器7的usb侧端口与usb接口8的d+、d-信号端相连接，usb接口8的+5v、gnd两端接至电源变换电路9的输入端，电源变换电路9的各种规格的电源输出端分别接至上述各模块的电源端，为各模块提供所需电源；

色谱仪输出的模拟色谱信号经过前端滤波、放大及共模抑制处理后，再进行a/d转换，将模拟色谱信号转换为24位数字信号，经过数字隔离的spi总线将数字信号输入至低功耗mcu6，低功耗mcu6再将该数字信号通过uart接口传输至uart/usb转换器7，经uart/usb转换器7转换为usb传输信号，并经过usb接口8及usb电缆传输至色谱工作站上位机，同时通过上位机的usb接口电源为该色谱采集卡供电。

如图2所示，所述电源变换电路9包括内侧数字电源变换器10、dc/dc隔离电源11、线性降压电源12、外侧数字电源变换器13，usb接口8的+5v、gnd两端并接至电源变换电路9中的内侧数字电源变换器10及dc/dc隔离电源11的输入端，内侧数字电源变换器10变换产生+3.3v电源，内侧数字电源变换器10的输出端接至数字隔离电路5的b侧、低功耗mcu6、uart/usb转换器7的电源输入端，dc/dc隔离电源11变换产生±5v隔离电源，dc/dc隔离电源11的+5v和dgnd端接至外侧数字电源变换器13的输入端，外侧数字电源变换器13变换产生+3.3v电源，外侧数字电源变换器13的输出端接至数字隔离电路5的a侧电源输入端及24位δ-∑a/d转换器3的数字电源输入端，dc/dc隔离电源11的+5v、-5v及dgnd端接至线性降压电源12的输入端，线性降压电源12变换产生±3.14v线性模拟电源，线性降压电源12的输出端接至前端滤波及放大器1、共模信号抑制电路2、精密电压基准4的电源输入端及24位δ-∑a/d转换器3的模拟电源输入端。

如图3(a)所示，所述内侧数字电源变换器10及外侧数字电源变换器13均采用ams1117-3.3芯片将+5v输入电源变换为+3.3v电源进行输出；dc/dc隔离电源11采用a0505xt-1wr2隔离电源模块，将+5v输入电源变换为±5v的隔离电源，其隔离电压可达1500v，且在其内外侧地端之间接有1nf/2kv安规电容cy1；线性降压电源12由可调线性稳压芯片tps7a4901和tps7a3001构成，其中，tps7a4901的电压反馈通道接有33kω电阻r7及20kω电阻r8，从而将输入的+5v电源稳压后输出+3.14v稳压电源，tps7a3001的电压反馈通道接有33kω电阻r9及20kω电阻r10，从而将输入的-5v电源稳压后输出-3.14v稳压电源；外侧电源的数字地dgnd与模拟地agnd之间采用l2(10μh)电感进行滤波和隔离。

如图3(c)所示，所述前端滤波及放大器1为由低失调电压的运算放大器构成的二阶有源低通滤波器，并构成放大系数为2的同相运算放大电路，运算放大器具有输出偏置电压调整端，电压调整端连接有用于色谱信号零位基线校准的调整电位器。所述低失调电压运算放大器采用op07，以其中的色谱信号1输入通道为例，在u6(op07)的同相输入端接有由r14(2kω)、r15(2kω)、c29(2.2μf)、c30(2.2μf)构成的二阶rc滤波网络，在u6(op07)的反相输入端与输出端、反相输入端与地端之间接分别有8.2kω电阻r16、r17，从而可以滤除高频干扰信号，并将输入信号进行2倍放大，u6的1、8脚之间接入了10kω调整电位器r18，且r18的中心抽头接至+3.14v模拟电源端，从而使得色谱信号零位基线(即op07输出信号的基准点)可以在-3.14v～+3.14v之间进行调整。

如图3(c)所示，所述共模信号抑制电路2由单端-差分信号转换器ad8138构成，所述24位δ-∑a/d转换器3采用双通道差分输入方式的24位δ-∑a/d转换器cs5532，ad8138的输出共模电压设置端接至模拟地端，在op07输出端与ad8138的正相输入端之间、ad8138的差分输出反相端与正相输入端之间、ad8138的差分输出正相端与反相输入端之间、ad8138的反相输入端与模拟地端之间均接有499ω电阻，构成差分对称放大结构，且放大系数为1，ad8138的差分输出正相端、反相端分别与cs5532的差分输入正端、负端相连，从而实现了共模电压为零的正负对称式差分输入，抑制了a/d转换器输入通道共模电压的变化，且在ad8138的差分输出正相端、反相端接有两个49.9ω匹配电阻和22nf滤波电容。

如图3(c)所示，所述数字隔离电路5采用低功耗数字磁隔离芯片si8663【图3(c)中的u5】构成，其隔离电压可达5000v，u5的a侧端口由外侧数字电源变换器13提供+3.3v电源，而u5的b侧端口由内侧数字电源变换器10提供+3.3v电源，24位δ-∑a/d转换器3(cs5532)的spi接口的各信号端接至u5的a侧端口，u5的b侧端口对应接至低功耗mcu6的spi接口的各信号端，u5的a侧端口与对应的b侧端口信号电平逻辑呈同相关系。

如图3(c)所示，所述精密电压基准4采用低噪声、低温漂的精密电压基准芯片ref5020构成，其电源端和地端分别接至tps7a4901和tps7a3001的电压输出端(即+3.14v和-±v电压端)，为其提供+6.28v输入电压，其输出基准电压+2.048v，基准电压输出端接至a/d转换器cs5532的vref+端，而cs5532的vref-端接至-3.14v电压端。

如图3(b)所示，所述低功耗mcu6采用超低功耗混合信号处理器msp430g2513，其外围接有r12、c28组成的复位电路，以及j1、r13组成的jtag/sbw程序下载、调试接口。所述uart/usb转换器7采用usb转串口芯片ch340b，msp430g2513与ch340b之间采用ttl电平的uart串行总线进行通信，msp430g2513的uart接口的rxd端与ch340b的txd端相连接，msp430g2513的uart接口的txd端与ch340b的rxd端相连接，ch340b的tnow端(15脚)接有r11、d1串联电路，用于指示usb信号的收发状态。

如图3(c)所示，所述usb自供电式色谱数据采集卡具有两个信号采集通道，每个通道的色谱信号输入端和模拟地端之间接有tvs双向保护二极管p6smb6.8ca【图3(c)中的d4和d6】，色谱信号可以反接，反接不损坏输入通道，只是测得的色谱为负峰。

如图3(b)所示，所述usb接口8的+5v电源端串接有0.5a过流保护用自恢复保险丝f1，usb接口8的d+、d-端接有低电容tvs保护二极管阵列芯片nup2202w1(u17)，nup2202w1(u17)的vp端接至+5v电源端，vn端接至gnd端，两个io端分别接至d+、d-端。

尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明专利的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。